在諸如MCD（MOS控制二極管）和RC-IGBT（反向?qū)щ娊^緣柵雙極型晶體管）的包括晶體管單元和二極管功能性二者的半導(dǎo)體器件中，移動電荷載流子沿正向偏置pn結(jié)涌入半導(dǎo)體區(qū)域并且形成密集電荷載流子等離子體，從而導(dǎo)致二極管的低正向電阻。當(dāng)關(guān)注的pn結(jié)整流由此從正向偏置改變到反向偏置時，反向恢復(fù)電流移除電荷載流子等離子體。反向恢復(fù)電流對半導(dǎo)體器件的動態(tài)切換損失有貢獻(xiàn)。典型地，在pn結(jié)從正向偏置改變到反向偏置之前的減飽和時間段，柵控MOS溝道減弱電荷載流子等離子體以便減少動態(tài)切換損失。減飽和時間段的結(jié)束與整流的開始之間的安全時間段確保半導(dǎo)體器件在整流開始之前處于具有關(guān)閉的MOS溝道的閉塞模式中。在安全時間段期間，電荷載流子等離子體部分地恢復(fù)并且阻撓于某種程度的減飽和機(jī)制。

期望的是改進(jìn)包括晶體管單元以及二極管功能性的半導(dǎo)體器件的切換特性。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

利用獨(dú)立權(quán)利要求的主題來實現(xiàn)目的。從屬權(quán)利要求涉及進(jìn)一步的實施例。

根據(jù)實施例，一種半導(dǎo)體器件包括晶體管單元，配置為當(dāng)施加到柵電極的柵電壓超過第一閾值電壓時將第一負(fù)載電極與漂移結(jié)構(gòu)連接，漂移結(jié)構(gòu)與本體區(qū)形成第一pn結(jié)。在第一負(fù)載電極的垂直投影中并且與第一負(fù)載電極電連接的第一輔助單元配置為至少在第一pn結(jié)的正向偏置模式中將電荷載流子注入到漂移結(jié)構(gòu)中。第二輔助單元配置為當(dāng)在第一pn結(jié)的正向偏置模式中柵電壓低于比第一閾值電壓低的第二閾值電壓時以高發(fā)射極效率將電荷載流子注入到漂移結(jié)構(gòu)中，并且當(dāng)柵電壓超過第二閾值電壓時以低發(fā)射極效率將電荷載流子注入到漂移結(jié)構(gòu)中。

根據(jù)實施例，一種半導(dǎo)體器件包括半導(dǎo)體本體，其包括漂移結(jié)構(gòu)和形成在柵結(jié)構(gòu)之間從半導(dǎo)體本體的第一表面延伸到漂移結(jié)構(gòu)中的單元臺面。單元臺面包括瓶頸區(qū)段和在瓶頸區(qū)段與第一表面之間的寬區(qū)段，其中寬區(qū)段比瓶頸區(qū)段的窄部分更寬。晶體管單元包括與漂移結(jié)構(gòu)形成第一pn結(jié)和與源區(qū)形成第二pn結(jié)的本體區(qū)。第一輔助單元平行地電連接到晶體管單元，并且第二輔助單元平行地電連接到晶體管單元，其中第一輔助單元中的瓶頸區(qū)段的窄部分比第二輔助單元中的瓶頸區(qū)段的窄部分更寬。

在閱讀以下詳細(xì)描述并觀看附圖時，本領(lǐng)域技術(shù)人員將認(rèn)識到附加特征和優(yōu)點(diǎn)。

附圖說明

附圖被包括來提供對本發(fā)明的進(jìn)一步理解并且合并在本說明書中并構(gòu)成本說明書的一部分。這些圖圖示了本發(fā)明的實施例并且與描述一起用來解釋本發(fā)明的原理。本發(fā)明的其他實施例和意圖的優(yōu)點(diǎn)將是容易意識到的，因為通過參考以下詳細(xì)描述它們變得更好理解。

圖1A組合了根據(jù)實施例的具有晶體管單元、第一輔助單元和第二輔助單元的半導(dǎo)體器件的部分的示意性垂直橫截面視圖。

圖1B是圖示了用于討論實施例的效果的圖1A的晶體管單元、第一輔助單元和第二輔助單元的特性的示意圖。

圖1C是圖示了操作圖1A的半導(dǎo)體器件的方法的示意性時序圖。

圖2A是根據(jù)涉及RC-IGBT的實施例的半導(dǎo)體器件的一部分的示意性垂直橫截面視圖。

圖2B是根據(jù)涉及MCD的實施例的半導(dǎo)體器件的一部分的示意性垂直橫截面視圖。

圖3A是根據(jù)具有均勻分布的第一輔助單元的實施例的RC-IGBT的示意性水平橫截面視圖。

圖3B是根據(jù)具有布置在二極管區(qū)域中心的第一輔助單元的實施例的RC-IGBT的示意性水平橫截面視圖。

圖3C是根據(jù)具有布置在引導(dǎo)區(qū)域（pilot region）中心的一個或多個第一輔助單元的實施例的RC-IGBT的示意性水平橫截面視圖，所述引導(dǎo)區(qū)域被雙極區(qū)域圍繞。

圖3D是根據(jù)具有布置在引導(dǎo)區(qū)域的外圍部分中的輔助單元的實施例的RC-IGBT的示意性水平橫截面視圖，所述引導(dǎo)區(qū)域被雙極區(qū)域圍繞。

圖4是用于圖示根據(jù)涉及寬集電極溝道的實施例的輔助單元的布置的RC-IGBT的示意性垂直橫截面視圖。

圖5A是根據(jù)涉及由阻擋層結(jié)構(gòu)中的開口限定的輔助單元的實施例的RC-IGBT的一部分的示意性水平橫截面視圖。

圖5B是圖5A的半導(dǎo)體器件部分沿線B-B的垂直橫截面的示意性平面投影。

圖5C是圖5A的半導(dǎo)體器件部分沿線C-C的示意性垂直橫截面視圖。

圖6A是根據(jù)涉及由具有局部減弱部分的阻擋層結(jié)構(gòu)限定的輔助單元的實施例的沿縱向臺面軸的RC-IGBT的一部分的示意性垂直橫截面視圖。

圖6B是根據(jù)涉及由單元臺面寬度的變化限定的輔助單元的實施例的RC-IGBT的一部分的示意性水平橫截面視圖。

圖6C是根據(jù)涉及限定在不同寬度的臺面中的輔助單元的實施例的RC-IGBT的一部分的示意性水平橫截面視圖。

圖7A是根據(jù)涉及由局部加寬的單元臺面限定的輔助單元的另一實施例的RC-IGBT的一部分的示意性水平橫截面視圖。

圖7B是圖7A的半導(dǎo)體器件部分沿線B-B的垂直橫截面的示意性平面投影。

圖7C是圖7A的半導(dǎo)體器件部分沿線C-C的示意性垂直橫截面視圖。

圖7D是根據(jù)涉及在寬單元臺面中的第一輔助單元和在窄單元臺面中的第二輔助單元的另一實施例的RC-IGBT的一部分的示意性水平橫截面視圖。

圖8A是用于圖示實施例的效果的具有基于包括瓶頸區(qū)段的單元臺面的注入單元的半導(dǎo)體器件的一部分的示意性垂直橫截面視圖。

圖8B是繪制相對于瓶頸區(qū)段的窄部分的不同垂直延伸的柵電壓的圖8A的注入單元的存儲電荷QF和集電極到發(fā)射極電壓VCE的示意圖。

圖8C詳細(xì)示出了圖8B的圖的在0V的柵電壓附近的區(qū)段。

圖9A組合了根據(jù)涉及間位（meta）單元的實施例的半導(dǎo)體器件的部分的示意性垂直橫截面視圖。

圖9B是用于圖示圖9A中的間位單元的效果的示意圖。

圖10A是根據(jù)關(guān)于具有間位單元的RC-IGBT的實施例的半導(dǎo)體器件的一部分的示意性水平橫截面視圖。

圖10B是圖10A的半導(dǎo)體器件部分沿線B-B的垂直橫截面的示意性平面投影。

圖10C是圖10A的半導(dǎo)體器件部分沿線C-C的示意性垂直橫截面視圖。

圖11是根據(jù)將阻擋層結(jié)構(gòu)與瓶狀柵結(jié)構(gòu)組合的實施例的半導(dǎo)體器件的垂直橫截面的示意性平面投影。

具體實施方式

在以下詳細(xì)描述中，參考形成其一部分的附圖，并且在附圖中作為說明示出了其中可以實踐本發(fā)明的特定實施例。應(yīng)理解的是，可以利用其他實施例，并且可以在不偏離本發(fā)明的范圍的情況下做出結(jié)構(gòu)或邏輯的改變。例如，針對一個實施例說明或描述的特征可以在其他實施例上使用或結(jié)合其他實施例使用以產(chǎn)生再進(jìn)一步的實施例。意圖的是，本發(fā)明包括這樣的修改和變型。使用特定語言來描述示例，這不應(yīng)解釋為限制所附權(quán)利要求的范圍。附圖未按比例縮放并且僅僅用于說明的目的。在不同附圖中通過相同附圖標(biāo)記來分別標(biāo)明對應(yīng)元件，如果未另外陳述的話。

術(shù)語“具有”、“包含”、“包括”、“含有”等是開放的，并且這些術(shù)語指示所陳述的結(jié)構(gòu)、元件或特征的存在，但是不排除附加元件或特征。冠詞“一”、“一個”和“該”意圖包括復(fù)數(shù)以及單數(shù)，除非上下文清楚地另有指示。

術(shù)語“電連接”描述電連接的元件之間的永久的低歐姆連接，例如所關(guān)注元件之間的直接接觸或者經(jīng)由金屬和/或高摻雜半導(dǎo)體的低歐姆連接。術(shù)語“電耦合”包括可以在電耦合的元件之間提供適于信號傳輸?shù)囊粋€或多個介于中間的元件，例如可控來暫時地在第一狀態(tài)提供低歐姆連接和在第二狀態(tài)提供高歐姆電解耦合的電阻器或元件。

圖1A示出了半導(dǎo)體器件500的一部分，例如諸如具有短接?xùn)诺腗GD（MOS柵控二極管）的MCD、RC-IGBT或者包括MCD或RC-IGBT功能性的器件。硅（Si）、碳化硅（SiC）、鍺（Ge）、硅鍺晶體（SiGe）、氮化鎵（GaN）、砷化鎵（GaAs）或任何其他A-_IIIB_V半導(dǎo)體形成半導(dǎo)體器件500的半導(dǎo)體本體100。

在前側(cè)，半導(dǎo)體本體100具有可以是近似平面或者可以被共面表面區(qū)段橫跨的第一表面101。在第一表面101與在相對的后側(cè)并且平行于第一表面101的主要平面的第二表面之間的最小距離限定了半導(dǎo)體器件500的電壓閉塞能力。例如，針對大約1200V的閉塞電壓指定的RC-IGBT的半導(dǎo)體本體100可以具有90μm到110μm的厚度。涉及較高閉塞能力的實施例可以基于具有幾百μm的厚度的半導(dǎo)體本體100。

在垂直于橫截面平面的平面中，半導(dǎo)體本體100可以具有邊長在幾毫米范圍中的近似矩形形狀。第一表面101的法線限定垂直方向，并且與垂直方向正交的方向是水平方向。

半導(dǎo)體本體100包括第一導(dǎo)電類型的漂移結(jié)構(gòu)120。漂移結(jié)構(gòu)120與第二導(dǎo)電類型的本體區(qū)115形成第一pn結(jié)，其中本體區(qū)115形成在第一表面101與漂移結(jié)構(gòu)120之間。

晶體管單元TC、第一輔助單元AC1和第二輔助單元AC2沿著從第一表面101向下延伸到至少第一pn結(jié)pn1的柵結(jié)構(gòu)150形成。

柵結(jié)構(gòu)150包括導(dǎo)電柵電極155和將柵電極155與半導(dǎo)體本體100分離的柵電介質(zhì)151。柵電極155可以是同質(zhì)結(jié)構(gòu)或者可以具有包括一個或多個含金屬層的分層結(jié)構(gòu)。根據(jù)實施例，柵電極155可以包括重?fù)诫s多晶硅層或者由重?fù)诫s多晶硅層組成。柵電極155可以電連接到在半導(dǎo)體本體100外部的柵連接器330。柵連接器330可以形成或者可以電耦合或連接到柵極端子G。

柵電介質(zhì)151可以具有均勻厚度。根據(jù)其他實施例，柵電介質(zhì)151的從第一表面101移開的底部部分可以比定向到第一表面101的頂部部分更厚。柵電介質(zhì)151可以包括或由以下組成：半導(dǎo)體氧化物，例如熱生長或沉積的氧化硅；半導(dǎo)體氮化物，例如沉積或熱生長的氮化硅；或者半導(dǎo)體氮氧化物，例如氮氧化硅。

晶體管單元TC還包括第一導(dǎo)電類型的源區(qū)110，其與指派給晶體管單元TC的本體區(qū)115形成第二pn結(jié)pn2。源區(qū)110形成在第一表面101與晶體管單元TC的本體區(qū)115之間。

晶體管單元TC的源區(qū)110以及第一和第二輔助單元AC1、AC2的本體區(qū)115電連接到第一負(fù)載電極310，第一負(fù)載電極310可以形成或者可以電耦合或連接到第一負(fù)載端子L1。晶體管單元TC的本體區(qū)115也可以電連接到第一負(fù)載電極310。漂移結(jié)構(gòu)120電連接到第二負(fù)載電極320，第二負(fù)載電極320可以形成或者可以電耦合或連接到第二負(fù)載端子L2。

在高于第一閾值電壓Vthn的柵電壓處，反型層沿柵電介質(zhì)151形成在晶體管單元TC的本體區(qū)115中以及在第一和第二輔助單元AC1、AC2中。晶體管單元TC中的反型層形成在源區(qū)110與漂移結(jié)構(gòu)120之間的用于少數(shù)電荷載流子的MOS柵控溝道。第一和第二輔助單元AC1、AC2中的反型層沒有到第一負(fù)載電極310的連接。第一和第二輔助單元AC1、AC2關(guān)于跨相應(yīng)單個輔助單元AC1、AC2的正向電壓與當(dāng)?shù)谝籶n結(jié)pn1被正向偏置時的柵電壓之間的關(guān)系彼此不同。

第一pn結(jié)pn1在具有施加在第一負(fù)載端子L1（陽極）與第二負(fù)載端子L2（陰極）之間的正電壓的正向偏置的MCD的情況下被正向偏置，或者在具有施加在第二負(fù)載端子L2（集電極）與第一負(fù)載端子L1（發(fā)射極）之間的負(fù)電壓的反向偏置的RC-IGBT的情況下被正向偏置。第一和第二輔助單元AC1、AC2關(guān)于它們的有關(guān)電荷載流子注入效率的行為彼此不同。

第一和第二輔助單元AC1、AC2的不同電荷載流子注入特性可能從不同發(fā)射極效率產(chǎn)生，其中發(fā)射極效率是空穴電流密度與總電流密度之比。作為示例，發(fā)射極效率的變化可以通過穿過第一pn結(jié)pn1的不同垂直摻雜劑輪廓來實現(xiàn)。

根據(jù)另一實施例，第一和第二輔助單元AC1、AC2可以具有等同或類似的發(fā)射極效率，但是關(guān)于相鄰柵結(jié)構(gòu)150之間的本體區(qū)115和/或第一pn結(jié)pn1的寬度彼此不同。在第一輔助單元AC1中，通過跨從關(guān)注的單元的一側(cè)到相對側(cè)的發(fā)射極效率的整合給定的注入效率可以大于第二輔助單元AC2中的注入效率。根據(jù)進(jìn)一步的實施例，輔助單元AC1、AC2可以具有不同的發(fā)射極效率和水平尺寸二者。

沿柵結(jié)構(gòu)150形成并且與輔助單元AC1、AC2的本體區(qū)115連接的反型溝道增加了關(guān)注的單元的注入效率，使得至少第二輔助單元AC2的注入效率可以通過柵極到發(fā)射極電壓VGE來控制。

在飽和時間段期間，第二輔助單元AC2是有效的，這是因為飽和注入單元以高速率將電荷載流子注入到漂移結(jié)構(gòu)120中并建立密集電荷載流子等離子體。在減飽和時間段中，飽和注入單元AC2是相當(dāng)欠活躍的，使得電荷載流子等離子體部分地消散。例如，在減飽和期間，飽和注入單元AC2對于VGE>Vth2的平均注入效率可以為飽和注入單元AC2對于VGE<Vth2的平均注入效率的至多50%、或至多10%、或至多1%。

替代地，在減飽和時間段期間，作為減飽和注入單元是有效的第一輔助單元AC1仍然注入足夠的電荷載流子以維持跨減飽和注入單元AC1的足夠低的正向電壓VF。

在減飽和時間段和飽和時間段二者期間，所有類型的單元AC1、AC2、TC可以將電荷載流子注入到漂移結(jié)構(gòu)120中，但是在減飽和時間段中，與飽和時間段相比，飽和注入單元AC2以顯著降低的注入效率注入，使得總體更少的電荷載流子被注入到漂移結(jié)構(gòu)120中。

通過提供兩種不同類型的注入單元，一種類型可以適于飽和時間段的要求，并且另一類型可以適于減飽和時間段的要求。與僅具有一種類型的減飽和單元的方法相比，可以放松處理約束，并且用于飽和時間段和減飽和時間段的器件參數(shù)可以獨(dú)立于彼此地被調(diào)諧。

圖1B圖示了晶體管單元TC、減飽和注入單元AC1和飽和注入單元AC2的不同特性。以下討論提及例如如在n溝道RC-IGBT中那樣的p型本體區(qū)115和n型源區(qū)110。對應(yīng)的考慮應(yīng)用于具有例如如在p溝道RC-IGBT中那樣的p型源區(qū)110和n型本體區(qū)115的半導(dǎo)體器件500。

根據(jù)正向特性701，當(dāng)施加在柵極端子G與第一負(fù)載端子L1之間的柵電壓VGL1超過第一閾值電壓Vthn時，沿柵電介質(zhì)151形成在晶體管單元TC的本體區(qū)115中的反型層形成MOS柵控溝道，所述MOS柵控溝道將源區(qū)110與漂移結(jié)構(gòu)120連接并且在第一負(fù)載電極310與漂移結(jié)構(gòu)120之間提供電子路徑。同時，歸因于沒有源區(qū)或失去這樣的源區(qū)與第一負(fù)載電極310之間的連接，形成在減飽和與飽和注入單元AC1、AC2的本體區(qū)115中的反型層沒有到第一負(fù)載電極310的連接。這既在正電壓施加在第一負(fù)載端子L1與第二負(fù)載端子L2之間時保持，也在負(fù)電壓施加在第一負(fù)載端子L1與第二負(fù)載端子L2之間時保持。

第一反向特性711圖示了在負(fù)電壓施加于第二負(fù)載端子L2與第一負(fù)載端子L1之間的情況下的跨單個減飽和注入單元AC1的正向電壓VF與在第一pn結(jié)pn1的正向偏置模式下的柵電壓VGL1之間的關(guān)系。至少對于低于另外的閾值電壓Vth0的柵電壓VGL1，單個減飽和注入單元AC1具有針對半導(dǎo)體器件500指定的最大閉塞電壓的至多0.2%例如至多0.15%的低正向電壓VF。例如，正向電壓VF對于具有1200V的閉塞能力的半導(dǎo)體器件是至多2V，或者對于具有6.5kV的閉塞能力的半導(dǎo)體器件是至多5V。根據(jù)實施例，正向電壓VF在標(biāo)稱反向電流處是至多20V。

當(dāng)柵電壓VGL1超過另外的閾值電壓Vth0時，正向電壓VF可以隨著VGL1增加而增加，或者可以保持近似恒定一直到超過第一閾值電壓Vthn。根據(jù)實施例，減飽和注入單元AC1的注入效率急劇降低，并且跨減飽和注入單元AC1的正向電壓VF對于VGL1>Vth0增加以將減飽和注入單元AC1對其他器件參數(shù)的影響保持為低。與高于另外的閾值電壓Vth0相比，在低于另外的閾值電壓Vth0的情況下，跨第一減飽和注入單元AC1的正向電壓降隨著柵極到發(fā)射極電壓VGE增加的增加更不陡峭。第二反向特性721圖示了跨單個飽和注入單元AC2的正向電壓VF與在第一pn結(jié)pn1的正向偏置模式下的柵電壓VGL1之間的關(guān)系。對于低于第二閾值電壓Vthp的柵電壓VGL1，跨單個飽和注入單元AC2的正向電壓是至多5V，第二閾值電壓Vthp比另外的閾值電壓Vth0更小。對于VGL1>Vthp，跨單個飽和注入單元AC2的正向電壓降隨著VGL1的增加而急劇增加，其指示飽和注入單元AC2的電荷載流子注入效率在Vthp與Vth0之間急劇降低。與在另外的閾值電壓Vthp之上相比，在低于第二閾值電壓Vthp的情況下，跨飽和注入單元AC2的正向電壓降隨著柵極到發(fā)射極電壓VGE的增加的增加更不陡峭。

圖1B還示出了對于VGL1<Vthp的飽和注入單元AC2的總體電荷載流子注入效率 ηAC21高于對于VGL1=Vth0的飽和注入單元AC2的總體電荷載流子注入效率ηAC22，其中總體電荷載流子注入效率是在相應(yīng)單元類型的局部發(fā)射極效率上的表面整合。減飽和注入單元AC1對于VGL1<Vthp可以展示出比飽和注入單元AC2更低的總體電荷載流子注入效率，但是維持足夠的電荷載流子注入效率至少一直到VGL1=Vth0，使得盡管相比較而言低的總體電荷載流子注入效率，但是減飽和注入單元AC1可以在柵電壓VGL1介于第二閾值電壓Vthp與另外的閾值電壓Vth0之間的情況下在減飽和時間段內(nèi)維持低正向電壓VF。

典型地，用于可減飽和RC-IGBT的三級方法依賴于利用一方面在-15V的柵極到發(fā)射極電壓VGE處的高注入效率與另一方面在VGE=0V處的低注入效率之間的大散布設(shè)計的注入單元。在RC-IGBT的反向?qū)щ娔Ｊ剑≧C模式）的注入時間段期間，其中第一pn結(jié)pn1是正向偏置的。注入單元是活躍的并且以高注入效率將電荷載流子注入到漂移結(jié)構(gòu)120中，以實現(xiàn)密集電荷載流子等離子體。在整流之前的減飽和時間段中，因此在第一與第二負(fù)載端子L1、L2之間的電壓改變極性之前，注入單元被減飽和并僅以顯著更低的注入效率來注入電荷載流子，使得電荷載流子等離子體密度減弱。

減飽和越有效，注入效率的散布越大。然而，當(dāng)形成具有注入模式與減飽和模式之間的高散布的注入單元時，其證明是在VGE=0處的正向電壓VF可以強(qiáng)烈地取決于工藝波動。

替代地，本實施例依賴于兩種類型的注入單元。飽和注入單元AC2可以設(shè)計為具有在VGL1=-15V處的注入效率與在VGL1=0V處的注入效率之間的高散布，使得可以實現(xiàn)高減飽和效率。減飽和注入單元AC1可以設(shè)計為沒有在VGL1=-15V處的注入效率與在VGL1=0V處的注入效率之間的散布或者具有在VGL1=-15V處的注入效率與在VGL1=0V處的注入效率之間的低散布，但是具有確保在VGL1=0V處和接近VGL1=0V處的足夠低的正向電壓VF，例如小于3V，其中正向電壓降VF較不傾向于工藝波動。作為結(jié)果，實施例將高減飽和效率與持久地低的正向電壓VF組合，即使在減飽和時間段期間也是如此。

圖1C示意性地示出了基于圖1A和1B的半導(dǎo)體器件500的RG-IGBT的操作模式。

在RC-IGBT的RC模式的飽和時間段Sat期間，柵極到發(fā)射極電壓VGE低于Vthp，并且飽和注入單元AC2以高效率將電荷載流子注入到漂移結(jié)構(gòu)120中，從而導(dǎo)致高存儲電荷QF。集電極到發(fā)射極電壓VCE在飽和時間段Sat期間通過反向二極管的正向電壓VF1給出，其中反向二極管的特性通過飽和注入單元AC2來支配。反向二極管的正向電壓VF1以及正向電阻Rfwd是低的。

在t=t1處，VGE上升到Vthp<VGE<Vth0，并且減飽和時間段Desat開始。飽和注入單元AC2切換到低注入模式。電荷載流子等離子體密度和存儲電荷急劇降低，而正向電壓上升并且正向電阻Rfwd增加。但是減飽和注入單元AC1仍然是活躍的并且確保反向二極管的持續(xù)的相比較而言低的正向電壓VF2。

在某個時間之后，可以觸發(fā)可以改變跨RC-IGBT的電壓偏置的過程。例如，在半橋的另一部分中的半導(dǎo)體開關(guān)被接通而RC-IGBT保持關(guān)斷。在關(guān)斷期間，RC-IGBT的電壓偏置可以重復(fù)地從反向偏置改變到正向偏置，以及反之亦然。最后，電壓偏置可以改變到正向偏置，借此，RC-IGBT整流并且可以直接改變到閉塞狀態(tài)中。

因為電荷載流子等離子體密度已經(jīng)減小，所以與沒有減飽和時間段Desat相比，更小數(shù)目的電荷載流子必須從半導(dǎo)體本體100排出，并且切換損失減小。因為減飽和在沒有形成任何MOS柵控溝道的情況下進(jìn)展，所以RC-IGBT可以立即將完全閉塞電壓維持在正向偏置狀態(tài)的閉塞階段Blk。當(dāng)整流電荷載流子流動結(jié)束時，柵電壓可以再次降低到低于第二閾值電壓，以便改進(jìn)相對于伴隨著整流電荷載流子流動的強(qiáng)電流細(xì)絲的魯棒性并且避免柵電勢在Vthn之上的動態(tài)增加。

之后，例如在t=t3處，VGE可以上升到Vthn之上，晶體管單元TC中的MOS柵控溝道接通并且RC-IGBT改變到正向偏置狀態(tài)的導(dǎo)電階段Cnd。

第一、第二和另外的閾值電壓Vthn、Vthp、Vth0被選擇來滿足針對柵電壓電平指定的最壞情況條件。例如，可以選擇Vth0，使得減飽和注入單元AC1的正向電壓對于1200V器件在減飽和模式的整個容許柵電壓范圍上低于15V?？梢赃x擇第二閾值電壓Vthp，使得第二輔助單元AC2對總體空穴注入僅貢獻(xiàn)至低的程度，例如在減飽和模式的完整容許柵電壓范圍上的至多30%或至多15%或至多5%。

例如，可耗盡三級RC-IGBT的數(shù)據(jù)表可以針對在MOS柵控溝道上的切換指定+10到+25V的柵電壓電平，針對減飽和模式指定-3V到+3V的柵電壓電平，以及針對飽和模式指定-15到-25V的柵電壓電平。

對于具有以上規(guī)范的RC-IGBT，第一閾值電壓Vthn可以是+1V與+10V之間的大約中間，例如接近5.5V。另外的閾值電壓Vth0可以介于減飽和模式的最大容許電壓電平與第一閾值電壓Vthn之間，由此在介于+1.0V與+5.0V之間（例如介于2V與3V之間）的范圍中。第二閾值電壓Vthp可以是介于-15V與減飽和模式的最小容許電壓電平之間的中間，由此在介于-10V與-1V之間的范圍中，例如在-5.5V處。

圖2A圖示了根據(jù)實施例的RC-IGBT或包括RC-IGBT 501的半導(dǎo)體器件。如上文所描述的，在包括漂移結(jié)構(gòu)120的硅半導(dǎo)體本體100的前側(cè)，晶體管模塊601包括可控單元Ce，所述可控單元Ce可以是如上文所描述的晶體管單元TC、減飽和注入單元AC1或飽和注入單元AC2?？煽貑卧狢E的控制電極電連接到柵導(dǎo)體330，柵導(dǎo)體330可以形成或可以電連接或耦合到柵極端子G?？煽貑卧狢E的源和本體區(qū)電連接到第一負(fù)載電極310，第一負(fù)載電極310可以形成或可以電連接或耦合到發(fā)射極端子E。

漂移結(jié)構(gòu)120包括漂移區(qū)121并且可以直接鄰接到可控單元Ce中的本體區(qū)。根據(jù)其他實施例，較重?fù)诫s的阻擋層可以夾在本體區(qū)115與漂移區(qū)121之間。在漂移區(qū)121中，摻雜劑濃度可以隨著與其垂直延伸的至少部分中的第一表面101的距離的增加而逐漸或步進(jìn)地增加或降低。根據(jù)其他實施例，摻雜劑濃度可以在完整漂移區(qū)121中近似均勻。漂移區(qū)121中的平均摻雜劑濃度可以介于1E12cm^-3與1E15cm^-3之間，例如在從5E12 cm^-3到5E13 cm^-3的范圍中。

在相對的后側(cè)沿著第二表面102形成的基座層130直接鄰接第二負(fù)載電極320，第二負(fù)載電極320可以形成或者可以電連接到集電極端子C?；鶎?30包括本體區(qū)115的導(dǎo)電類型的第一區(qū)131和漂移結(jié)構(gòu)120的導(dǎo)電類型的第二區(qū)132。第一和第二區(qū)131、132分別從漂移結(jié)構(gòu)120延伸到第二負(fù)載電極320。第一區(qū)131如后側(cè)發(fā)射極區(qū)那樣的有效，后側(cè)發(fā)射極區(qū)將少數(shù)電荷載流子注入到在正向偏置狀態(tài)的導(dǎo)電階段中的漂移結(jié)構(gòu)120中。第二區(qū)132如集電極短接的那樣有效，集電極短接使RC模式中的后側(cè)發(fā)射極區(qū)旁路。

第一區(qū)131可以與第二區(qū)132在RC-IGBT 501的雙峰（bimodal）區(qū)域620中交替。除了雙峰區(qū)域620之外，RC-IGBT 501可以包括具有引導(dǎo)區(qū)133的引導(dǎo)區(qū)域610，其中引導(dǎo)區(qū)133的水平延伸是雙峰區(qū)域620中的第一區(qū)131的水平延伸的至少兩倍大，例如至少十倍大。引導(dǎo)區(qū)133支持正向偏置狀態(tài)的導(dǎo)電階段的啟動（ignition）。

第一和第二區(qū)131、132中以及如果適用的話，引導(dǎo)區(qū)133中的摻雜劑濃度足夠高以確保與第二負(fù)載電極320的低歐姆接觸。例如，在p摻雜的第一、第二或引導(dǎo)區(qū)131、131、133中沿第二表面102的最大摻雜劑濃度可以是至少1E16 cm^-3，例如至少5E17 cm^-3。在n摻雜的第一、第二或引導(dǎo)區(qū)131、132、133中的最大摻雜劑濃度可以是至少1E18 cm^-3。

漂移結(jié)構(gòu)120可以包括漂移區(qū)121的導(dǎo)電類型的場停止層128，其中場停止層128將漂移區(qū)121與基座層130分離。場停止層128中的平均凈摻雜劑濃度是漂移區(qū)121中的最大凈摻雜劑濃度的至少兩倍高，并且是基座層130的第二區(qū)132中的平均摻雜劑濃度的至多一半。漂移結(jié)構(gòu)120可以包括另外的摻雜區(qū)，例如形成補(bǔ)償結(jié)構(gòu)的區(qū)、用于局部增加電荷載流子等離子體密度的阻擋層區(qū)和/或使電場局部成形的緩沖區(qū)。

圖2B提及MCD 502或包括MCD 502的半導(dǎo)體器件?？煽貑卧狢e的源和本體區(qū)可以電連接到第一負(fù)載電極310，第一負(fù)載電極310可以形成或可以電連接到陽極端子A?？煽貑卧狢e的柵電極可以電連接?xùn)艠O端子或電連接到第一負(fù)載電極310?；鶎?30是漂移區(qū)121的導(dǎo)電類型的重?fù)诫s層，其中基座層130中沿第二表面102的最大凈摻雜劑濃度確保到第二負(fù)載電極320的低歐姆接觸，第二負(fù)載電極320形成或電連接到陰極端子K。為了進(jìn)一步的細(xì)節(jié)，參照圖2A的RC-IGBT 501的描述。

減飽和注入單元AC1與飽和注入單元AC2的總面積比范圍可以從1:1到1:10000，例如從1:20到1:500。晶體管單元TC與注入單元AC1、AC2的總面積比可以在從200:1到1:50、例如從10:1到1:10的范圍中。飽和與減飽和注入單元AC2、AC1的放置可以與第一、第二和引導(dǎo)區(qū)131、132、133在后側(cè)的位置不相關(guān)。

在圖3A中，RC-IGBT 501包括雙極區(qū)域620，并且相比較而言小的第一輔助單元AC1均勻地分布在完整雙極區(qū)域620內(nèi)。均勻分布的減飽和注入單元AC1避免了在整流期間的高局部電流密度。反向恢復(fù)電荷Qrr的雪崩誘發(fā)部分可以被保持為小。根據(jù)其他實施例，前側(cè)處的飽和與減飽和注入單元AC2、AC1與后側(cè)處的第一、第二和引導(dǎo)區(qū)131、132、133的圖案對齊。

在圖3B中，減飽和注入單元AC1被放置在圍繞引導(dǎo)區(qū)域610的雙峰區(qū)域620中。在半導(dǎo)體本體100的向后側(cè)定向的部分中，反向電流在RC模式的飽和時間段期間主要在雙峰區(qū)域620中流動。通過將減飽和注入單元AC1僅放置在雙峰區(qū)域620中，反向電流在整流前不久在半導(dǎo)體本體100的完整垂直延伸上幾乎專門在雙峰區(qū)域620中流動。在減飽和時間段期間將電荷載流子專門注入在雙峰區(qū)域620中導(dǎo)致電荷載流子等離子體集中在雙峰區(qū)域620中。結(jié)果，整流電荷載流子流動沒有或僅有弱水平分量，并且不生成足夠的水平電壓降來啟動來自引導(dǎo)區(qū)域610的電荷載流子注入。防止引導(dǎo)區(qū)133不想要的啟動。

如在圖3B中所圖示的，連續(xù)的減飽和注入單元AC1可以圍繞引導(dǎo)區(qū)域610，其中減飽和注入單元AC1可以被定中心到圍繞引導(dǎo)區(qū)域610的雙峰區(qū)域620。作為結(jié)果的引導(dǎo)區(qū)域610的反向電流增益為低。根據(jù)其他實施例，多個隔離的減飽和注入單元AC1可以布置在定中心到雙峰區(qū)域620并且圍繞引導(dǎo)區(qū)域610的條中。

圖3C到3D示出了具有形成在引導(dǎo)區(qū)133的垂直投影中的引導(dǎo)區(qū)域610中的減飽和注入單元AC1。減飽和注入單元AC1局部地增加引導(dǎo)區(qū)域610的反向電流增益，并且以該方式可以改進(jìn)RC-IGBT 501的切換柔軟度（softness）。已經(jīng)在之前被注入通過減飽和注入單元AC1的少數(shù)電荷載流子（例如，在n溝道RC-IGBT 501的情況下的空穴）可以在整流期間啟動引導(dǎo)區(qū)133，使得本體區(qū)115、漂移結(jié)構(gòu)120和引導(dǎo)區(qū)133形成的雙極型晶體管接通。引導(dǎo)區(qū)133的啟動可以改進(jìn)切換行為的柔軟度以及以增加的切換損失為代價改進(jìn)對于振蕩的魯棒性。

在圖3C的RC-IGBT 501中，一個或者小數(shù)目的減飽和注入單元AC1被放置在引導(dǎo)區(qū)133的中心，以增加減飽和注入單元AC1之前注入的電荷載流子的水平路徑長度。

在圖3D中，第一減飽和注入單元AC1對稱地布置在引導(dǎo)區(qū)域610的邊緣并且接近雙峰區(qū)域620，以實現(xiàn)低切換損失與高切換柔軟度之間的折衷。

圖4示出了具有擴(kuò)展的第二區(qū)132的RC-IGBT 501中的減飽和注入單元AC11、AC12、AC13的可能位置，擴(kuò)展的第二區(qū)132提供了用于RC模式的集電極短接。根據(jù)其中減飽和注入單元AC11放置在第二區(qū)132的垂直投影中并且處于到鄰接的第一區(qū)131的大水平距離z1處的實施例，在減飽和期間通過半導(dǎo)體本體100的反向電流主要在第二區(qū)132與減飽和注入單元AC11之間在垂直方向上流動。電荷載流子等離子體密度在第一區(qū)131的垂直方向上保持低。當(dāng)RC-IGBT整流時，作為結(jié)果的整流電荷載流子流動沒有或者僅有弱水平分量，不生成或僅生成低的沿第一區(qū)131與漂移結(jié)構(gòu)120之間的pn結(jié)的水平電壓降，并且不啟動由可控單元CE的本體區(qū)115、漂移結(jié)構(gòu)120和第一區(qū)131形成的雙極型晶體管。

通過將減飽和注入單元AC12、AC13放置在到第二區(qū)132的垂直投影中的第一區(qū)131的小水平距離z2處和/或在到第一區(qū)131的垂直投影中的第二區(qū)132的水平距離z3處，導(dǎo)致了第一區(qū)131的垂直投影中的增加的電荷載流子等離子體密度，使得在整流期間的電荷載流子流動具有水平分量。作為結(jié)果的水平電壓降可以觸發(fā)雙極型晶體管的啟動，使得可以改進(jìn)切換柔軟度，如果以增加的切換損失的代價可適用的話。減飽和注入單元AC11、AC12、AC13關(guān)于形成集電極短接的第二區(qū)132的放置以及減飽和注入單元AC1的數(shù)目和橫向延伸確定了整流電荷載流子流動觸發(fā)來自第一區(qū)131的電荷載流子注入所處的條件。

減飽和注入單元AC1與飽和注入單元AC2的不同之處在于：減飽和注入單元AC1具有更高的閾值電壓，一直到它們以高效率注入電荷載流子的閾值電壓。作為示例，該效果可以通過注入單元AC1、AC2中的幾何尺寸和/或摻雜劑梯度的變化來實現(xiàn)。

圖5A到5C提及RC-IGBT 501或包括具有減飽和注入單元AC1的RC-IGBT 501的其他半導(dǎo)體器件，減飽和注入單元AC1由注入單元AC1、AC2的本體區(qū)115與漂移區(qū)121之間的阻擋層結(jié)構(gòu)125的局部變化形成。

RC-IGBT 501基于如關(guān)于圖1A到1C所詳細(xì)描述的半導(dǎo)體本體100，其中半導(dǎo)體本體100包括第一導(dǎo)電類型的漂移結(jié)構(gòu)120、在第一表面101與漂移結(jié)構(gòu)120之間的第二相反導(dǎo)電類型的本體區(qū)115以及夾在漂移結(jié)構(gòu)120與第二表面102之間的基座層130。

對于圖示的n溝道RC-IGBT 501，第一導(dǎo)電類型是n型，并且第二導(dǎo)電類型是p型。如下文概述的類似考慮應(yīng)用于其中第一導(dǎo)電類型是p型和第二導(dǎo)電類型是n型的p溝道RC-IGBT。

漂移結(jié)構(gòu)120包括具有摻雜劑濃度的漂移區(qū)121，所述摻雜劑濃度至少在其垂直延伸的部分中可以隨著到第一表面101的距離的增加而逐漸或步進(jìn)地增加或降低。根據(jù)其他實施例，漂移區(qū)121中的摻雜劑濃度可以近似均勻。對于基于硅的RC-IGBT 501，漂移區(qū)121中的平均摻雜劑濃度可以介于1E12 cm^-3與1E15 cm^-3之間，例如在從5E12 cm^-3到1E14 cm^-3的范圍中。在基于SiC的RC-IGBT 501的情況下，漂移區(qū)121中的平均摻雜劑濃度可以介于5E14 cm^-3與1E17 cm^-3之間，例如在從1E15 cm^-3到1E16 cm^-3的范圍中。

基座層130包括本體區(qū)115的導(dǎo)電類型的第一區(qū)131和漂移區(qū)121的導(dǎo)電類型的第二區(qū)132。第一區(qū)131如后側(cè)發(fā)射極區(qū)那樣的有效，所述后側(cè)發(fā)射極電極區(qū)將少數(shù)電荷載流子注入到在導(dǎo)電階段中的漂移區(qū)121中。第二區(qū)132形成使RC模式中的第一區(qū)131旁路的集電極短接。第一和第二區(qū)131、132中的雜質(zhì)濃度足夠高來用于形成與直接鄰接第二表面102的金屬的歐姆接觸。p型區(qū)的平均摻雜劑濃度可以是至少1E16 cm^-3，例如5E17 cm^-3，并且n型區(qū)的平均摻雜劑濃度可以是至少1E18 cm^-3，例如至少5E19 cm^-3。

漂移結(jié)構(gòu)120可以包括漂移區(qū)121的導(dǎo)電類型的場停止層128。場停止層128將基座層130與漂移區(qū)121分離，其中場停止層128中的平均摻雜劑濃度可以比基座層130的平均摻雜劑濃度低至少50%，例如低至少一個數(shù)量級，并且可以比漂移區(qū)121中的高至少100%，例如高至少一個數(shù)量級。

基座層130的第一和第二區(qū)131、132分別從第二表面102延伸到場停止層128，或者在沒有場停止層的情況下延伸到漂移區(qū)121。第一區(qū)可以是通過第二區(qū)132水平嵌入的形成網(wǎng)格的點(diǎn)，或反之亦然。根據(jù)其他實施例，作為示例，第一和第二區(qū)131、132可以是平行于第一水平方向行進(jìn)的條，或者可以形成嵌套的矩形框架。晶體管單元TC、飽和注入單元AC2和減飽和注入單元AC1的控制結(jié)構(gòu)150從第一表面101延伸到漂移區(qū)121中。半導(dǎo)體本體100的在相鄰控制結(jié)構(gòu)150之間的部分形成單元臺面 170。

控制結(jié)構(gòu)150可以是沿單元臺面 170的延伸方向延伸的條。根據(jù)實施例，延伸方向可以是專門平行于第一水平方向，使得單元臺面 170和控制結(jié)構(gòu)150是直條結(jié)構(gòu)。根據(jù)另一實施例，延伸方向關(guān)于第一水平方向改變，使得單元臺面 170和控制結(jié)構(gòu)150形成交錯的條。

單元臺面 170可以以例如400nm到20μm、例如800nm到2μm的均勻中心到中心距離規(guī)則布置。第一表面101與控制結(jié)構(gòu)150的底部之間的距離范圍可以從1μm到30μm，例如從2μm到6μm。單元臺面 170的橫向?qū)挾确秶梢詮?.05μm到10μm，例如從0.1μm到1μm。

控制結(jié)構(gòu)150包括柵電極155和將柵電極155與半導(dǎo)體本體100分離的柵電介質(zhì)151。柵電極155可以是同質(zhì)結(jié)構(gòu)或者可以具有包括一個或多個導(dǎo)電層的分層結(jié)構(gòu)。根據(jù)實施例，柵電極155可以包括重?fù)诫s多晶硅或者由重?fù)诫s多晶硅組成。柵電極155可以電連接到柵極端子G。

柵電介質(zhì)151可以包括或由以下組成：半導(dǎo)體氧化物，例如熱生長或沉積的氧化硅；半導(dǎo)體氮化物，例如沉積或熱生長的氮化硅；或者半導(dǎo)體氮氧化物，例如氮氧化硅。

晶體管單元TC、飽和注入單元AC2和減飽和注入單元AC1可以沿水平方向直接彼此級聯(lián)。

圖5A示出了沿控制結(jié)構(gòu)150的縱軸限定的第一水平方向直接級聯(lián)的晶體管單元TC、飽和注入單元AC2和減飽和注入單元AC1。晶體管單元TC、飽和注入單元AC2和減飽和注入單元AC1可以直接彼此鄰接，其中不同單元類型之間的轉(zhuǎn)變可以是逐漸的或突然的。根據(jù)其他實施例，晶體管單元TC和減飽和注入單元AC1沿平行于彼此行進(jìn)的不同控制結(jié)構(gòu)150形成。

本體區(qū)115形成在單元臺面 170的向第一表面101定向的第一區(qū)段中并且可以直接鄰接飽和與減飽和注入單元AC2、AC1中的第一表面101。本體區(qū)115中的平均凈雜質(zhì)濃度可以在從1E16 cm^-3到5E18 cm^-3的范圍中，例如在1E17 cm^-3與5E17 cm^-3之間。每個本體區(qū)115可以與漂移結(jié)構(gòu)120形成第一pn結(jié)pn1。

指派給晶體管單元TC的單元臺面 170的部分包括與晶體管單元TC的本體區(qū)115形成第二pn結(jié)pn2的源區(qū)110。指派給飽和與減飽和注入單元AC2、AC1的單元臺面 170的部分可以沒有任何源區(qū)或者包括沒有到第一負(fù)載電極310的連接的源區(qū)。

源區(qū)110可以形成為從第一表面101延伸到本體區(qū)115中的阱并且限定沿相應(yīng)單元臺面 170的縱向水平軸布置的晶體管單元TC。沒有源區(qū)110的陰影區(qū)域?qū)⒅概山o相同單元臺面 170的相鄰晶體管單元TC分離，其中在陰影區(qū)域中，飽和和減飽和注入單元AC2、AC1的本體區(qū)115直接鄰接第一表面101。晶體管單元TC和陰影區(qū)域沿相應(yīng)單元臺面 170的縱軸交替。

沿縱軸布置的相鄰源區(qū)110之間的距離可以在從1μm到200μm的范圍中，例如在從3μm到100μm的范圍中。

電介質(zhì)結(jié)構(gòu)200可以將第一負(fù)載電極310與第一表面101分離。作為示例，電介質(zhì)結(jié)構(gòu)200可以包括來自氧化硅、氮化硅、氮氧化硅、摻雜或未摻雜硅玻璃（例如BSG（硼硅玻璃）、PSG（磷硅玻璃）或BPSG（硼磷硅玻璃））的一個或多電介質(zhì)層。

第一負(fù)載電極310可以形成發(fā)射極端子E或者可以電耦合或連接到RC-IGBT 501的發(fā)射極端子E。

接觸結(jié)構(gòu)315從第一負(fù)載電極310延伸通過電介質(zhì)結(jié)構(gòu)200到半導(dǎo)體本體100中。接觸結(jié)構(gòu)315將第一負(fù)載電極310與源區(qū)110和本體區(qū)115電連接。多個空間分離的接觸結(jié)構(gòu)315可以直接鄰接相應(yīng)單元臺面 170，其中接觸結(jié)構(gòu)315中的至少一些可以指派給源區(qū)110。其他實施例可以提供沿相應(yīng)單元臺面 170的整個縱向延伸延伸并且直接鄰接陰影區(qū)域中的本體區(qū)115的條狀接觸結(jié)構(gòu)315。

第二負(fù)載電極320直接鄰接第二表面102和基座層130。第二負(fù)載電極320可以形成或者可以電連接到集電極端子C。

第一和第二負(fù)載電極310、320中的每一個可以由以下（一種或多種）主要成分組成或包含以下作為（一種或多種）主要成分：鋁（Al）、銅（Cu）或者鋁或銅的合金，例如AlSi、AlCu或AlSiCu。根據(jù)其他實施例，第一和第二負(fù)載電極310、320中的至少一個可以包含以下作為（一種或多種）主要成分：鎳（Ni）、鈦（Ti）、鎢（W）、鉭（Ta）、銀（Ag）、金（Au）、鉑（Pt）和/或鈀（Pd）。例如，第一和第二負(fù)載電極310、320中的至少一個可以包括兩個或更多的子層，其中每個子層包含Ni、Ti、Ag、Au、Pt、W和Pd中的一個或多個作為（一種或多種）主要成分，例如，硅化物、氮化物和/或合金。

單元臺面 170還包括阻擋層結(jié)構(gòu)125，阻擋層結(jié)構(gòu)125可以夾在本體區(qū)115與漂移區(qū)121之間，使得阻擋層結(jié)構(gòu)125與本體區(qū)115形成第一pn結(jié)pn1并且與漂移區(qū)121形成單極同質(zhì)結(jié)。阻擋層結(jié)構(gòu)125具有與漂移區(qū)121相同的導(dǎo)電類型。阻擋層結(jié)構(gòu)125中的平均摻雜劑濃度是漂移區(qū)121中的平均摻雜劑濃度的至少十倍高。根據(jù)實施例，阻擋層結(jié)構(gòu)125中的平均摻雜劑濃度范圍可以從1E16 cm^-3到1E18 cm^-3，例如從1E17 cm^-3到5E17 cm^-3。在n溝道IGBT 501的情況下，阻擋層結(jié)構(gòu)125中的雜質(zhì)可以是磷（P）、砷（As）、銫（Se）和/或硫（S）原子/離子。

根據(jù)其他實施例，阻擋層結(jié)構(gòu)125可以嵌入在本體區(qū)115內(nèi)，使得本體區(qū)115的部分將阻擋層結(jié)構(gòu)125與漂移區(qū)121分離。根據(jù)進(jìn)一步的實施例，阻擋層結(jié)構(gòu)125在到第一pn結(jié)pn1的一距離處形成在漂移區(qū)121內(nèi)。

在正向偏置狀態(tài)的導(dǎo)電階段中，阻擋層結(jié)構(gòu)125形成針對電荷載流子從電荷載流子等離子體逃逸的阻擋層并且增加電荷載流子等離子體密度。另外，在更重?fù)诫s的阻擋層結(jié)構(gòu)125中，少數(shù)電荷載流子以較高速率復(fù)合，使得阻擋層結(jié)構(gòu)125關(guān)于漂移區(qū)121減小少數(shù)電荷載流子發(fā)射極效率。阻擋層結(jié)構(gòu)125至少形成在飽和注入單元AC2中并且還可以形成在晶體管單元TC中。

圖5C示出了阻擋層結(jié)構(gòu)125中的間隙125a。間隙125a關(guān)于漂移區(qū)121局部地增加發(fā)射極效率并且限定減飽和注入單元AC1。

圖6A的n溝道RC-IGBT 501示出了限定減飽和注入單元AC1的阻擋層結(jié)構(gòu)125的局部減弱部分125b。在減飽和注入單元AC1中，在減弱部分125b中的平均摻雜劑濃度/劑量是阻擋層結(jié)構(gòu)125的在減飽和注入單元AC1中的減弱部分125b外部的部分中的摻雜劑濃度/劑量的至多50%，例如至多10%。

在圖6B中，RC-IGBT 501包括在單元臺面 170的窄部分中的飽和注入單元AC2和單元臺面 170的寬部分中的減飽和注入單元AC1，其中窄部分具有窄臺面寬度y1，其中寬部分具有寬臺面寬度y2。在減飽和注入單元AC1中，每單元長度單位的局部注入效率比在飽和注入單元AC2中更高。但是因為對于VGE<Vthp，指派給飽和注入單元AC2的總面積比指派給減飽和注入單元AC1的總面積更大，所以通過飽和注入單元AC2的總注入可以超過通過減飽和注入單元AC1的總注入。

在圖6C中，RC-IGBT 501包括在窄單元臺面 170x中的具有窄臺面寬度y1的飽和注入單元AC2，和在寬單元臺面 170y中的具有寬臺面寬度y2的減飽和注入單元AC1。根據(jù)實施例，寬臺面寬度y2可以在從100nm到20μm的范圍中，例如在從300nm到1000nm或者從400nm到800nm的范圍中，而窄臺面寬度y1可以在從10到400nm的范圍中，例如在從50到200nm的范圍中，并且其中寬臺面寬度y2比窄臺面寬度y1大至少90nm。

晶體管單元TC可以形成在窄單元臺面 170x中、在寬單元臺面 170y中或在它們的二者中。盡管在減飽和注入單元AC1中，每單元長度單位的局部注入效率可以比在飽和注入單元AC2中更高，但是對于VGE<Vthp，如果指派給飽和注入單元AC2的總面積相對于指派給減飽和注入單元AC1的總面積足夠大，則通過飽和注入單元AC2的總注入可以超過通過減飽和注入單元AC1的總注入。

圖6A到6C的實施例可以彼此組合。例如，圖6C的RC-IGBT 501可以包括如圖6A中所圖示的圖案化阻擋層結(jié)構(gòu)125或非圖案化阻擋層結(jié)構(gòu)125或者不包括任何阻擋層結(jié)構(gòu)。

圖7A到7C提及具有瓶狀控制結(jié)構(gòu)150的n溝道RC-IGBT 501。控制結(jié)構(gòu)150包括凸出區(qū)段150a和在凸出區(qū)段150a與第一表面101之間的窄區(qū)段150b，其中窄區(qū)段150b從第一表面101向下延伸到至少第一pn結(jié)pn1。窄區(qū)段150b具有寬度wc1。在凸出區(qū)段150a中，控制結(jié)構(gòu)150具有大于第一寬度wc1的最大寬度wc2。最大寬度wc2是大于窄區(qū)段150b的寬度wc1的至少50nm，例如至少100nm。

相應(yīng)地，單元臺面 170具有夾在控制結(jié)構(gòu)150的相鄰窄區(qū)段150b之間的寬區(qū)段170b和夾在控制結(jié)構(gòu)150的相鄰?fù)钩鰠^(qū)段150a之間的瓶頸區(qū)段170a。寬區(qū)段170b包括至少本體區(qū)115和第一pn結(jié)pn1以及漂移區(qū)121的部分。寬區(qū)段170b在單元臺面170的指派給晶體管單元TC和飽和注入單元AC2的部分中的臺面寬度wm1a在從100nm到900nm的范圍中，例如在從300nm到800nm的范圍中。瓶頸區(qū)段170a在單元臺面 170的指派給晶體管單元TC和飽和注入單元AC2的部分中的最小臺面寬度wm2a可以在從10nm到400nm的范圍中，例如在從50nm到200nm的范圍中。瓶頸區(qū)段170a分別地包括漂移區(qū)121的部分并且可以包括阻擋層結(jié)構(gòu)的部分。

單元臺面 170在飽和注入單元AC2中的臺面寬度可以與在晶體管單元TC中相同。單元臺面 170的指派給減飽和注入單元AC1的部分可以比單元臺面 170的指派給飽和注入單元AC2的部分更寬。例如，單元臺面 170的部分的瓶頸區(qū)段170a的在減飽和注入單元AC1中的窄部分的寬度wm2b比單元臺面 170的部分的瓶頸區(qū)段170a在飽和注入單元AC2中的窄部分的寬度wm2a大至少10%，例如大至少30%。例如，寬度wm2b可以比寬度wm2a大至少50nm，例如至少150nm。

在下文中，參照圖1B中的閾值電壓的定義。當(dāng)?shù)陀诘诙撝惦妷篤thp的柵電壓VGE應(yīng)用于柵極端子G時，p型反型層形成在控制結(jié)構(gòu)150周圍的漂移區(qū)121中。反型層連接到本體區(qū)115，本體區(qū)115繼而連接到第一負(fù)載電極310，使得漂移區(qū)121中的反型層如電荷載流子發(fā)射極那樣的有效。注入的電荷載流子增加了漂移區(qū)121中的電荷載流子等離子體密度。高電荷載流子等離子體密度在飽和時間段期間導(dǎo)致RC-IGBT 501的RC模式的反向二極管的低正向電阻和低正向電壓。如圖5A到5C中所圖示的阻擋層結(jié)構(gòu)和柵結(jié)構(gòu)150的凸出形式兩者對增加在VGE<Vthp處和在VGE>Vthp處的注入效率之間的散布有貢獻(xiàn)。散布越高，在減飽和時間段中的減飽和效率越好。

在RC-IGBT 501的整流之前的RC模式的減飽和時間段期間，柵電壓VGE上升到大于第二閾值電壓Vthp但是低于另外的閾值電壓Vth0的電壓。反型溝道消耗。在飽和注入單元AC2中，控制結(jié)構(gòu)150的凸出區(qū)段150a遮擋本體區(qū)115以免受漂移結(jié)構(gòu)120在控制結(jié)構(gòu)150與基座層130之間的連續(xù)部分。飽和注入單元AC2中的本體區(qū)115的剩余電荷載流子注入效率為低。

替代地，在減飽和注入單元AC1中，本體區(qū)115保持通過單元臺面 170的較寬瓶頸部分170a的相比而言高的注入速率，盡管沒有沿控制結(jié)構(gòu)150的p型反型層。減飽和注入單元AC1的總體注入效率保持足夠高以確保在減飽和時間段期間漂移區(qū)121中的足夠的電荷載流子等離子體密度以及即使在RC模式的減飽和時間段中跨反向二極管的足夠低的正向電壓降。歸因于減飽和注入單元AC2中較小的關(guān)鍵臺面尺寸，由減飽和注入單元AC2支配的正向電壓降較不易于受尺寸變化和工藝波動的影響。

RC-IGBT 501組合總體注入效率的高散布和作為結(jié)果的高減飽和效率與減飽和時間段中的足夠最小注入效率和作為結(jié)果的RC模式中的穩(wěn)定正向電壓行為。

圖7D提及具有形成在寬單元臺面 170y中的減飽和注入單元AC1的布局，寬單元臺面 170y具有大于窄單元臺面 170x的臺面寬度wm1a的臺面寬度wm1b，窄單元臺面 170x包括飽和注入單元AC2或者飽和注入單元AC2和晶體管單元TC。沿線B-B的橫截面可以對應(yīng)于沿具有臺面寬度wm1a和wm1b的圖7中的線B-B的橫截面，所述臺面寬度wm1a和wm1b提及瓶頸臺面的寬臺面區(qū)段的寬度。寬單元臺面 170y可以包括源區(qū)110或可以沒有源區(qū)110。晶體管單元TC和飽和注入單元AC1可以形成在相同窄單元臺面 170x中或在不同的窄單元臺面 170y中。

根據(jù)另一實施例，漂移結(jié)構(gòu)120包括如圖5A到5C中所圖示的阻擋層結(jié)構(gòu)，并且寬和窄單元臺面 170y、170x的側(cè)壁可以是近似垂直的。

圖8A到8C圖示了RC模式中的反向二極管的正向電壓VF、漂移區(qū)121中的存儲電荷QF以及單元臺面 170的瓶頸區(qū)段中的窄部分的垂直延伸的相關(guān)性。

圖8A示出了注入單元AC，其控制結(jié)構(gòu)150具有大約5μm的總垂直延伸。控制結(jié)構(gòu)150是瓶狀的，其在接近第一表面101的窄區(qū)段150b中具有最小寬度wc1和在遠(yuǎn)離第一表面101的凸出區(qū)段150a中具有最大寬度wc2。最小寬度wc1是大約1μm，并且最大寬度wc2是大約1.2μm。

單元臺面 170包括在近似恒定寬度的窄部分中具有大約200nm的寬度wm2的瓶頸區(qū)段170a，和在第一表面101與瓶頸區(qū)段170a之間具有大約400nm的寬度wm1的寬區(qū)段170b。寬區(qū)段170b包括本體區(qū)115。第一pn結(jié)pn1的寬度近似于寬區(qū)段170b的寬度wm1。瓶頸區(qū)段170a的窄部分的垂直延伸可以在從300nm到4μm的范圍中。

在圖8B中，連續(xù)線801-804示出在包括圖8A的注入單元AC的RC-IGBT的RC模式中的作為在瓶頸區(qū)段170a的窄部分的2.5 μm (801)、2.1 μm (802)、1.8 μm (803)和1.5 μm (804)的垂直延伸處的柵電壓VGE的函數(shù)的集電極到發(fā)射極電壓VCE。點(diǎn)線811、812、813、814示出在單元臺面 170的瓶頸區(qū)段的窄部分的2.5 μm (811)、2.1 μm (812)、1.8 μm (813)和1.5 μm (814)的垂直延伸處的與注入效率成比例的存儲電荷QF。流過該結(jié)構(gòu)的電流的量不取決于柵電壓VGE并且在標(biāo)稱值的范圍中。

圖8C更詳細(xì)地示出了在VGE=0周圍的圖8B的圖的一部分。

集電極到發(fā)射極電壓VCE和存儲電荷QF二者都強(qiáng)烈地取決于柵電壓VGE并且在VG=0V處和周圍強(qiáng)烈地改變。指派給1.5μm的窄部分的垂直延伸的集電極到發(fā)射極電壓梯度804確保在VG=0處針對相應(yīng)注入單元的低正向電壓降，其是三級可減飽和的RC-IGBT的減飽和模式的典型柵電壓電平。另一方面，工藝波動可能導(dǎo)致瓶頸區(qū)段的窄部分的該垂直延伸小于1.8μm，從而導(dǎo)致大于100V的關(guān)注的注入單元AC的正向電壓VF和集電極到發(fā)射極電壓梯度802。

實施例允許將具有確保在VGE=-15V與VGE=0V之間的電荷存儲的高散布的電荷存儲梯度811的注入單元AC與如下的注入單元組合，所述注入單元具有類似于即使在減飽和柵電壓VG=0V處也確保低電壓降的集電極到發(fā)射極電壓梯度804的集電極到發(fā)射極電壓梯度。

圖9A到9B提及除了第一和第二輔助單元AC1、AC2之外還包括第三輔助單元AC3（間位單元）的實施例，第三輔助單元AC3用于即使在超過第一閾值電壓Vthn的柵電壓VGL1處也維持足夠程度的電荷載流子注入，第一閾值電壓Vthn是針對通過晶體管單元TC中的本體區(qū)115的MOS柵控溝道的閾值電壓。

間位單元AC3可以均勻地分布在晶體管單元TC、飽和注入單元AC2以及減飽和注入單元AC1當(dāng)中。間位單元AC3被設(shè)計為使得它們即使在高于第一閾值電壓Vthn的柵電壓電平處也具有足夠高的電荷載流子注入效率。在n溝道RC-IGBT中，間位單元AC3如空穴發(fā)射極那樣的有效，即使正柵電壓VGE包括通過晶體管單元TC的本體區(qū)115的反型溝道也是如此。

在用于可減飽和n溝道RC-IGBT的典型三級操作模式中，負(fù)柵電壓VGE用于增加注入單元中的空穴注入效率。大約0V的柵電壓VGE被施加用于減飽和時間段，在所述減飽和時間段中，注入單元的注入效率降低。

另一方面，RC-IGBT的典型應(yīng)用包括控制RC-IGBT的柵電壓和感測電流的驅(qū)動器部件，其中驅(qū)動器部件可以在感測的電流低于某個閾值時將RC-IGBT接通，所述某個閾值可以是針對RC-IGBT指定的標(biāo)稱集電極電流I_C,nom的大約10%。因為對于低電流驅(qū)動器部件典型地不始終可靠地檢測實際電流方向，所以驅(qū)動器部件可以接通RC-IGBT，即使RC-IGBT被反向偏置也是如此。作為結(jié)果，驅(qū)動器部件即使在RC模式中也可以將+15V的柵電壓VGE施加到RC-IGBT的柵極端子。對于該情況，間位單元AC3可以確保足夠的空穴被注入到漂移結(jié)構(gòu)120中，以維持足夠密集的電荷載流子等離子體并避免跨RC模式中的反向二極管的電壓降的失控。間位單元AC3注入足夠的電荷載流子以用于維持在高于第一閾值電壓Vthn的柵電壓處的雙極電流。

包括飽和注入單元AC2、減飽和注入單元AC1和間位單元AC3的三種類型的輔助單元允許獨(dú)立于彼此地適配RC模式中的低于Vthp、介于Vtph與Vth0之間以及高于Vth0的操作模式。間位單元AC3可以專門布置在雙極區(qū)域中，例如專門在集電極溝道132的垂直投影中。與注入單元AC1相比，間位單元AC3可以具有減小的陽極效率。間位單元AC3可以由本體區(qū)115的局部尺寸變化或由單元臺面 170中的垂直摻雜劑輪廓的變化來限定。

根據(jù)實施例，間位單元AC3中的本體區(qū)115可以具有比飽和與減飽和注入單元AC2、AC1的本體區(qū)115低的摻雜劑劑量/濃度。根據(jù)另一實施例，沿第一pn結(jié)pn1的漂移區(qū)121中的摻雜劑濃度增加，并且可以形成沿第一pn結(jié)pn1延伸的局部阻擋層結(jié)構(gòu)125或阻擋層結(jié)構(gòu)125的局部增強(qiáng)部分125c。根據(jù)其他實施例，復(fù)合中心的增加的濃度可以減小本體區(qū)115中的有效摻雜劑濃度。另一實施例可以增加間位單元AC3中的單元臺面 170的寬度。

間位單元AC3與鄰接的晶體管單元TC、飽和注入單元AC2或減飽和注入單元AC1之間的轉(zhuǎn)變可以是平滑的或陡峭的。不同的單元類型可以沿相同單元臺面 170交替或者可以形成在不同單元臺面 170中。因為間位單元AC3的功能包括即使在晶體管單元中的MOS柵控溝道被接通時也要注入電荷載流子，所以間位單元AC3形成在與晶體管單元TC至少5μm，例如至少20μm的最小距離中，并且減飽和注入單元AC1和飽和單元AC2中的至少一個從晶體管單元TC延伸到間位單元AC3。

圖10A到10C提及具有直接鄰接晶體管單元TC的間位單元AC3的實施例。在間位單元AC3中，阻擋層區(qū)125的增強(qiáng)區(qū)段125x可以局部地減小本體區(qū)115的注入效率。

沿接觸結(jié)構(gòu)315，晶體管單元TC的本體區(qū)115可以包括重?fù)诫s的接觸區(qū)115a，其改進(jìn)晶體管單元TC中的歐姆接觸和過電流切換堅固性。相對地，飽和與減飽和注入單元AC1、AC2的本體區(qū)115可以沒有重?fù)诫s的接觸區(qū)115。

另外，在接觸區(qū)115a外部，晶體管單元TC的本體區(qū)115可以具有比減飽和注入單元AC1、飽和注入單元AC2或二者的本體區(qū)115更高的摻雜劑濃度，使得在關(guān)注的注入單元中的本體區(qū)的發(fā)射極效率低于在晶體管單元TC中。

圖11中圖示的RC-IGBT 501將阻擋層結(jié)構(gòu)125與如參照圖7A到7C所描述的具有瓶頸區(qū)段170a的單元臺面170組合。在圖示的實施例中，阻擋層結(jié)構(gòu)125是均勻的。根據(jù)其他實施例，阻擋層結(jié)構(gòu)125可以被圖案化并且可以包括如參照圖5A到6A所描述的減飽和注入單元AC1中的減弱部分或間隙。進(jìn)一步的實施例可以包括如參照圖9A到10C所描述的間位單元AC3。

盡管已經(jīng)在本文中說明和描述了特定實施例，但是本領(lǐng)域普通技術(shù)人員將意識到的是，多種替代和/或等同實施方式可以取代所示出和描述的特定實施例，而不偏離本發(fā)明的范圍。本申請意圖涵蓋本文討論的特定實施例的任何改編或變型。因此，意圖的是僅由權(quán)利要求及其等同物來限定本發(fā)明。